多網跳頻序列設計?

張劍，周興建，盧建川（中國西南電子技術研究所，成都610036）

多網跳頻序列設計?

張劍，周興建，盧建川
（中國西南電子技術研究所，成都610036）

提出了一種跳頻序列的設計方法，將其應用于構建多子網的通信系統可以有效降低子網間的相互干擾。該方法在序列設計中引入了子網間用戶的空間分布特性，在序列構造中充分利用了傳播時延和傳播衰減來降低序列間的頻點干擾。理論推導表明，該方法設計的跳頻序列可以顯著降低子網間跳頻序列的有效碰撞，在相同的頻帶利用率下比頻分組網方式有更強的抗干擾能力。

跳頻通信；多網；序列設計；抗干擾能力

1 引言

在跳頻通信中，信道帶寬被分割成大量相鄰的頻率間隔，在任一信號傳輸間隔內僅使用某一個可用的頻點，而頻點按照某種跳頻序列在很寬的頻帶范圍內進行跳變，因此跳頻通信［1］實現了頻率分集和干擾分集，具有很強的抗干擾能力，在軍事通信領域得到了廣泛應用。

單網的跳頻通信系統在每個時刻只有一個用戶使用，系統的帶寬利用率較低，很難滿足通信容量的需求，為了提高系統頻帶利用率，一般采用組建子網的方式實現系統容量的提升［2］。目前跳頻通信電臺的組網主要包括頻分組網和碼分組網兩類，頻分組網將頻帶分為不重疊的區域分配給不同的子網使用，而碼分組網的每個子網使用不同的跳頻序列，依靠跳頻序列的正交性來區分網絡。對于頻分組網方式，每個用戶使用的帶寬將縮小，降低了其抗干擾能力；而對于碼分組網方式，在無中心的移動通信環境中，收發端存在隨機的通信傳播時延，不同子網跳頻序列間的正交性很難得到保證。因此，對于跳頻序列碼分的多網絡跳頻通信系統，不同子網中的用戶間存在相互干擾，這種干擾表現為在某些時刻，屬于不同子網的用戶間使用了相同的頻率來發射信號。合理地設計各個子網用戶所使用的跳頻序列可以有效降低這種頻點上的碰撞概率，改善系統的抗干擾能力［3-5］。傳統的序列設計通常僅考察兩序列間的互相關性來設計，并未考慮不同子網中用戶間存在由于空間分布因素。對于同步多網跳頻通信系統，本文利用子網用戶間空間分布區域不同導致的通信距離差異優化跳頻序列的設計方法，將子網間多用戶在頻點上的有效碰撞降低到只有1.37次，實現了在保證頻譜利用率不變的基礎上提高了系統的抗干擾能力。

2 多網跳頻序列的互相關和系統抗干擾容限

多網絡跳頻通信系統中，各子網用戶按照其對應的跳頻序列順序依次在每個頻點上發射一段時間的信號，接收端跟隨相同的跳頻序列依次接收每個頻點上的發射信號。當多網絡同時存在時，在某些時段存在不同子網的用戶使用相同頻率發射信號的可能，這些頻點上的數據就會被干擾，而無法正常接收。因此，需要設計跳頻序列，減小多網絡通信中的這種碰撞。在跳頻序列設計中，傳統上僅考察兩序列間的互相關特性來衡量序列優劣。當通信區域中同時存在兩個以上的用戶發送信號時，考察序列兩兩間的互相關特性不能準確反映多用戶通信中頻點的碰撞程度。令F=}表示系統所有可用頻點的集合，Xi=，…表示第i個用戶具有長度為V的跳頻序列，其中。對于系統中用戶數為K時，K用戶的周期互相關函數可以定義如下：

則Rmax反映了多網絡跳頻通信系統中同時有K個用戶通信時所使用的跳頻序列導致的最大理論碰撞個數。

現在討論系統的抗干擾容限，對于某一個接收端機，接收機模型如圖1所示。

由圖1則有：

式中，PS為用戶功率，且假設各用戶的功率相等；fb為信息比特率；Tb為其周期；F為接收機噪聲系數；k為卡爾曼常數；PJ為干擾功率；W為跳頻系統總帶寬；T為接收機環境溫度。根據公式（4）和公式（5）可以得到系統抗干擾容限為

其中，G=W／fb為系統的處理增益；Eb／N0為基帶解碼所要求的最小單位赫茲每比特能量和噪聲能量比。由公式（6）可以看出，多網絡跳頻通信系統的抗干擾容限和多用戶序列的Rmax有直接關系。

3 跳頻序列設計

目前的序列設計都是建立在公式（1）中K取值為2時所定義的周期互相關函數基礎上［3-5］，當K大于2時，也一般轉換為考察任意兩序列間的周期互相關來研究。最優的設計也就是任意兩序列間的互相關為1［6-7］，對于無中心的通信環境下，這種設計下K個子網用戶間的最小干擾頻點也可能達到K -1個。但對于同步的多網跳頻通信系統，如果結合子網間存在的空間通信距離差異，可以設計出多個子網同時使用時其等效碰撞Rmax僅為1.37的序列集合。

同步跳頻通信系統中各子網用戶信號發射以時隙為單位，時隙由兩部分組成：時隙開始為跳頻序列組成有效發射信號，后面空閑一段不發射信號作為信號傳播時間。設通信系統的最大通信距離為L km，序列長度為V，每個時隙中僅發送一個序列長度的信號，跳頻序列的構造分為以下兩個步驟：

（1）根據跳頻通信中的序列設計理論［6-7］，基于m序列可以構造出兩兩序列間僅一次碰撞的跳頻序列族。任意取該序列族中兩組序列分別記為XA={，…，B={，…，f。

（2）取Kf=［3×L／（CTf）+0.5］，其中［x］表示取不大于x的最小整數，C為光速，Tf為跳頻系統中每個頻點的駐留時間。對XA或XB序列循環左移iKf得到新的序列分別記為XAiKf、XBiKf，其中i=0，1，…，Kn，Kn=［V／Kf］，XAi=｛…，faV，，…，fai-1｝，則所有序列的集合為X=｛XA，XB，，…，｝，且序列的總數為2 Kn。

4 抗干擾容限分析

依照第3節的設計可以得到跳頻序列集合X，對于多網跳頻通信系統，每個子網分配一個唯一的跳頻序列，總共可以支持2Kn個子網同時存在。當多網跳頻通信系統中任一子網用戶B向用戶A發送信號時，考察其他子網用戶群C同時發送信號在A處對B發送信號的影響，通信場景如圖2所示。圖中A、B兩點屬于同一通信子網，它們間的通信距離為L1，并且L1＜L，其中L為系統設計的最大通信距離，TB為B的信號到達A處的時延；C表示其他子網的發射用戶群，A、C間的通信距離為L2，TC

為C的信號到達A處的時延。在集合X中任取一序列X1為用戶B的跳頻序列，假定由序列XA循環左移得到，C群的跳頻序列為X2，接收端A處的干擾分兩種情況討論。

（1）情況1：L2＜L。

對于C群中用戶的跳頻序列由XA循環左移得到時，由于TB=L1／C，TC=L2／C，所以（TC-TB）／Tf＜Kf，序列X1和這些用戶的序列在時間上不存在重疊的頻點，用戶間不存在互干擾；對于C群中用戶的跳頻序列由XB循環左移得到時，根據設計理論［6-7］，在（TC-TB）／Tf＜Kf的條件下，最多只有一組序列在特定的TC取值下與用戶B的序列有一個頻點碰撞，此時系統的Rmax最大為1。

（2）情況2：L2＞L，此時系統不保證A能接收到C發送的信息。

對于C群中用戶的跳頻序列由XA循環左移得到時，當且僅當（TC-TB）／Tf=iKf時，i=1，2，…，Kn，序列X2會與序列X1的后面部分頻點在時間上重疊，此時系統的R最大。對于C

max群中用戶的跳頻序列由XB循環左移得到時，當且僅當（TC-TB）／Tf=Kx+iKf時，其中i=0，1，…，Kn，Kx為由XA和XB序列確定的唯一取值，序列X2會與序列X1的一個頻點在時間上重疊，此時系統的Rmax最大為Kn。

現在考察其他子網用戶群C對A的干擾效果，設系統中每個用戶的發射功率相同，令ki=Li／L1，其中Li為C中第i個子網用戶到用戶A的距離，當（TC-TB）／Tf=iKf或Tx+iKf時，ki＞3 i，此時如果B在A的接收端功率為PS，C中第i個用戶在A的接收端功率為

綜合兩種情況戶群C對A的干擾分析，并將結果代入公式（6）可以得到系統的抗干擾容限為

式中，R′max為等效的近似系統碰撞數量，且

利用公式（6）和公式（8）并結合確定的參數可以比較上述序列設計的碼分組網系統與頻分組網系統在固定頻帶利用率上的抗干擾性能，其中W取值為400 MHz，fb取值為2 Mbit／s，Eb／N0取值為4，

FkT／N0取值為0.1。子網數目為6，對于頻分組網系統，系統的增益為33.3，Rmax=0，系統抗干擾容限為8.75 dB；對于跳頻碼分系統，系統的增益為200，Rmax=1.37，系統抗干擾容限為16.4 dB。

5 結論

本文針對多網絡通信系統中各子網空間分布不同所引入的通信距離差異，提出了一種應用于多子網通信系統的跳頻序列設計方法，該方法設計的跳頻序列可以有效降低子網間的頻點碰撞，在相同的帶寬利用率下，提高了整個通信系統的抗干擾能力。由于本方法的序列設計與通信距離、跳頻點數及跳頻速率等因素有關，可用序列的數量和通信系統具體參數有關，對于更多子網的構建需求，還需要進一步拓展序列構造優化方法。

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ZHANG Jian was born in Meishan，Sichuan Province，in 1977.He received the Ph.D.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2008.He is now a senior engineer.His research interests include signal processing and wireless communications.

Email：swordisme＠163.com

周興建（1970—），男，四川廣安人，高級工程師，主要研究方向為無線通信技術；

ZHOU Xing-jian was born in Guang′an，Sichuan Province，in 1970.He is now a senior engineer.His research direction is wireless communications.

盧建川（1964—），男，重慶人，1989年于南京航空航天大學獲通信與信息系統專業碩士學位，現為研究員，主要研究方向為無線通信技術。

LU Jian-chuan was born in Chongqing，in 1964.He received the M.S.degree from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics in 1989.He is now a senior engineer of professor.His research direction is wireless communications.

Frequency Hopping Sequences Design for Multi-network Communication Systems

ZHANG Jian，ZHOU Xing-jian，LU Jian-chuan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A design of frequency hopping（FH）sequences for multi-network communication systems is proposed to decrease the interference among the multi-network.The distribution of multi-network is considered in sequence design，which reduces the conflictof frequency hopping sequences by using the delay and attenuation of the different transmitting signals.The theoreticalanalysis indicates thatthere is an obvious drop ofthe carry frequency conflicts among multi-network，and the communication system has better anti-jamming performance compared with that of FDMA（Frequency Dividing Multiple Access）system.

frequency hopping communication；multi-network；sequence design；anti-jamming capability

The National Key Lab Foundation（No.9140C020101100C090C02）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.006

張劍（1977—），男，四川眉山人，2008年于電子科技大學獲信號與信息處理專業博士學位，現為高級工程師，主要研究方向為無線通信技術及其信號處理；

1001-893X（2012）02-0151-04

2011-09-30；

2011-12-28

國家重點實驗室基金資助項目（9140C020101100C090C02）